JPS5895932A - 電力巻線の内部電圧グレ−ジングおよび過渡電圧保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電力変圧器のような電磁装置の分野に関する。

電力変圧器の巻線は、その使用時には損傷を起す惧れの
ある誘電応力（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　５ｔｒｅｓｓ）
を受ける。　その最も４重大なものは、落雷により電力
線に誘導される過大な過渡電圧サージである。

電力変圧器および他の配電設備を保護するため、外部に
装着したサージアレスタ（避雷器）を用いてこれらのサ
ージに伴なう電流を大地に分略し、サージ電圧尖頭値を
、変圧器の絶縁系統により安全に処理できるアレスタ保
護レベルに抑圧している。　勿論、この保護レベルは正
常な動作電圧よりも大きい。

これらの電圧サージは、効果的にアレスタ保護レベルを
越えないように抑圧されるが、普通極端に速い立上り及
び立下り時間を有しているので、電力変圧器の絶縁系統
にとって別の問題が生じる。

すなわち、変圧器の巻線と大地との間および巻線自体の
巻線部分相互間の固有の容量により、これらの電圧サー
ジ又は衝撃パルスの巻線全体にわたる電圧分布（グレー
ジング）がかなり不均一すなわち非線形になる。　当該
分野で知られているように、電力線に接続されている巻
線端子に近い方の変圧器巻線の極く小さな部分にサージ
電圧の内め不均合いに大きな割合の電圧がか＼る。　従
って、変圧器巻線の大地端または中性端近くの巻線部分
又はターンよりも変圧器巻線の線路端に近い巻線部分又
はターンに対して、より大きな電圧応力に耐えるように
一層大きな絶縁を必要とする。

変圧器巻線両端間の電圧サージの分布を改善するため従
来では、巻線容量を変更させて電圧グレージングの改善
が達成されるように計算された種々のインターレース形
巻線パターンを用いている（この場合、更に種々の内部
及び外部静電遮蔽が施されることもある）。　このよう
な方式の一例が米国特許第’ｌ１ｊ３ｆ９／号に記載さ
れている。　これらの容量性グレージング方式は、かな
り効果的ではあるが、電力変圧器巻線の多数のターン間
に非周期的な波形すなわち単一パルスの電圧サージの理
想的な電圧グレージングすなわち均一な又は線形の分布
を得るには充分でない。

考慮すべき別の問題は、落雷以外の原因によって生じる
ことのある振動性の電気的擾乱が変圧器巻線自体の内部
に過渡的な電圧振動を引き起すことである。　電気的擾
乱の振動周波数が変圧器巻線の固有周波数に一致した場
合、巻線部分内に生じる振動の電圧尖頭値は、ターン数
に比例して決まる印加電圧の相応する分担電圧よりも大
きくなることがある。　これらの過渡的な振動はアレス
タ保護レベルよりも低い電圧尖頭値を持つ擾乱によって
励振されることがあるので、この問題はさらにやっかい
になる。　この問題については、従来では詳細に検討さ
ねていす、内部振動の抑制ははソ絶縁抵抗による固有の
減衰にまかされていた。

巻線のタップおよびこれに接続された導線が存在するこ
とによる不連続性のため、電圧サージに応答して高振幅
の振動電圧が生じ得ることが認められている。　このよ
うな局部的な振動を抑制するため、変圧器のタンク内に
収容された炭化けい素バリスタがこれらのタッ゛プ間に
接続されていた。　これは、巻線全体ではなく、変圧器
巻線の分路さねた部分および（屡々密な間隔に配置した
関係で端子まで引き出される）タップ導線だけを保護す
る。　巻線全体の保護は、従来では、前述したような変
圧器絶縁系統、静電遮蔽および／又はインターリーブ（
インターレース）形巻線方式と共に、外部に設けたサー
ジアレスタにより行われている。

従って、本発明の目的は、電力変圧器および分路リアク
トルのような誘導装置を過大な電圧応力から完全に保護
する装置を提供することである。

別の目的は、変圧器巻線の電圧応力を巻線全長に沿って
各区分毎に緩和する上述の保護装置を提供することであ
る。

また別の目的は、電圧サージの避雷作用を電力変圧器の
タンク内で達成し、外部に設ける避雷装置の必要性をな
くした上述の保護装置を提供することである。

更に別の目的は、効果的な電圧サージの避雷作用および
改善された電圧グレージングを各電力変圧器巻線全体に
対して行い、同時に巻線内に生じる電圧振動を、変圧器
巻線の長さに沿ったどの部分に於ても隣接するターンの
絶縁に不当な応力を加える慣れのある過大な振動電圧の
エネルギを安全に吸収することにより抑制する上述の保
護装置を提供することである。

また別の目的は、非常に効果的且つ信頼性の　−ある動
作を行い、使用寿命が長く、変圧器部品の寸法を小さく
して電力変圧器ユニットをよりコンパクトにすることが
出来る上述の保護装置を提供することである。

本発明の保護装置は、電力変圧器および分路リアクトル
のような電磁誘導装置の多数のターンを持つ巻線全体の
両端の端子間に一電気接続された酸化亜鉛バリスタのよ
うな金属酸化物バリスタ素子の直列接続列を用いる。　
本発明の特に重要な用途は電力変圧器であり、この場合
、高圧および低圧側の７つ又はそれ以上の巻線の両端間
に夫々別個のバリスタ列を接続し、多相電力変圧器の場
合には各相巻線に対して同様に接続する。　本発明の重
要な特徴は、バリスタ列が変圧器タンク内に収容されて
いて、従来の外部に設ける避雷装置と同様な効果的な電
圧サージ抑制を行うので、外部の避雷装置の必要性がな
いことである。　このように、本発明では自蔵形の利点
が得られる。

電力変圧器巻線を更に電圧サージから保護するため、各
巻線の長さに沿って配分されたタップが、関連するバリ
スタ列のバリスタ素子間の接続点に夫々電気接続するた
めに設けられる。、　従つそ、バリスタ列は、そねが接
続された巻線全体に対して外部の避雷装置と同様にサー
ジ保護を行い、他方該列の個々のバリスタ素子は、それ
が夫々接続された巻線部分又はターンに対してサージ保
護を行う。　この場合、個々のバリスタ素子は、互いに
協調してまた個々に作用して、関連する巻線の電圧グレ
ージングを改善し、関連する巻線自体内の過渡的な振動
を抑制する。　これらの利点の全ては、巻線容量を変更
するだめの静電遮蔽や独特な巻線パターンを用いること
な゛く達成される。

従って本発明は素子の構成および組合せ、ならびに部品
の配列を特徴とし、本発明の範囲は特許請求の範囲に示
す。

本発明の特質および目的をより完全に理解するために１
添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照さｈたい。

本発明のサージ保護装置を全体として符号１０で示した
電力変圧器に適用したものを第７図に示す。　電力変圧
器１０は、磁心１４の周りに巻回された少なくとも７個
の多数ターンの高圧巻線１１と、少なくとも７個の多数
ターンの低圧巻線１２とより成る。　これら巻線は種々
の形状、たとえば、層巻き、板巻き等であってよい。　
高圧ならびに低圧巻線の線路端子および大地あるいは中
性端子は各々Ｈ１，Ｈ２，Ｌ１およびＬ２で示されてい
る。　変圧器のタンク（図示せず）内に、高圧巻線の端
子Ｈ１，Ｈ２間に電気的に接続された、個々のバリスタ
素子ＩＴＡ〜１７Ｎより成る全体として符号１７で示す
直列接続列が配置される。　同様に、個々のバリスタ素
子１８Ａ〜１８Ｎより成る全体として符号１８で示す直
列接続列が、低圧巻線の端子Ｌｌ、Ｌ２間に接続されて
いる。　高圧巻線の線路端から大地端までの長さに沿っ
て所定の間隔で巻線のタップ２０が設けられて、夫々バ
リスタ素子１７Ａ〜１７Ｎ　ｌＩＪ’ｌ　ｃＪ続点に電
気的に接続されている。　このように、バリスタ素子１
？Ａが、線路端と第１のタップ（２０）との間の高圧巻
線の部分あるいは区分１１Ａの両端間に接続されている
ことがわかる。　バリスタ素子１７Ｂは、次の高圧巻線
の部分または区分１１Ｂの両端間に第１および第２のタ
ップと電気的に接続され、−以下同様にして他のバリス
タ素子が接続さねている。　同様に低圧巻線には互いに
離れたタップ２２が備えられ、これらタップ２２は、夫
々バリスタ素子１８Ａ〜１８Ｎ間の接続点に接続されて
おり、これらバリスタ素子が個々に夫々の低圧巻線の区
分１２Ａ〜１２Ｎの両端間に接続されていることがわか
る。

バリスタ素子１７Ａ〜１７Ｎ、　１８Ａ〜１８Ｎは、好
ましくは、大きな非直線抵抗特性と信頼できる電圧サー
ジ抑圧特性を有する酸化亜鉛バリスタである。　好適な
酸化亜鉛バリスタのｉ成の例が、米国特許第３９．２．
！”、、２￥３号に開示さねている。　もし、変圧器１
０が油あるいはガス絶縁冷却剤を使用している場合、内
部に装置される酸化亜鉛バリスタ素子は、保護被覆を含
むべきであり、その例が、たとえば、本発明の出願人に
譲渡さｈた／り！θ年６月、２３日出願の米国特許出願
第１乙７９３．！；号に開示されている。

第１図を参照するに、バリスタ素子の列１７゜１８は、
巻線の端子Ｈ１，Ｌｌに到達する落雷によって誘導され
た高振幅の電圧サージに伴なう過大な電流を大地に分路
することが理解さねよう。この結果、本発明の内部に装
着したバリスタ素子の列を備えた電力変圧器を保護する
ために外部に避雷器を取付けることは冗長になり、した
がってこれを除外することができる。　本発明によって
派生する他の利点は、バリスタ素子が各々電気的に接続
されている巻線の特定の部分あるいは区分に対してサー
ジ抑圧を個別的に行うという事実から評価できる。　こ
のことは、初期の電圧サージがバリスタ素子の列１’７
．１８により設定されたアレスタ保護レベルにクリップ
されるが、電圧サージの内の不均合いに大きな部分が線
路端に近接した巻線の極く小部分にかかる。事実から明
らかなように、変圧器巻線の線路端に近接した巻線区分
が通常受けるかなりの電圧応力に対して抑制がなされる
ことを意味している。　本発明によって、巻線の線路端
子Ｈ１，Ｌ１に近接した巻線区分を保護するバリスタ素
子は、これら巻線区分に現ねる電圧振動の大きさを個々
に容易に取扱いうる安全々レベルに抑制するように動作
する。　その結果、巻線全体にわたる電圧分布は一層均
一なものとなり、すなわち、大幅に改善された電圧グレ
ージングが達成される。　従来技術の容量性グレージン
グによる方式に比して、本発明においては抵抗性グレー
ジングが達成されることがわかる。

さらに、本発明によって達成される他の利点は、電力線
路上の非周期的電圧サージあるいは高　′周波の振動性
電気的擾乱によって変圧器の巻線に励振される極度な過
渡的電圧振動を個々のバリスタ素子が抑圧できることで
ある。　どの巻線区分１１Ａ〜１１Ｎ、　１２Ａ〜１２
Ｎが極度の電圧尖頭値を受けるようなことがあっても、
これらの巻線区分に対して各々用意されている個別のバ
リスタ素子が電圧振動を安全なし、ベルに即座に抑圧す
る。

上述した本発明の利点は、電力変圧器の巻線１１あるい
は１２の線路端子に現われる電圧サージのこれら巻線に
沿った初期電圧分布をプロットした第２図のグラフを参
照することによっても理解できる。　曲線２６は電圧グ
レージング手段を・なにも施していない変圧器巻線に於
ける代表的な電圧勾配を表わしている。　サージ電圧の
５０％が線路側から測定した巻線全体のはじめの７３％
の部分の両端間にのみか＼ることかわかる。線２８は理
想的な線形サージ電圧分布、すなわち、完全な電圧グレ
ージングを表わす直線である。　曲線３０は、本発明の
抵抗性グレージングによる方式によって得られた代表的
なサージ電圧分布を示し、完全ではないが曲線２６によ
って表わされた電圧分布に比して大幅に改善されている
。

第３図は最大差電圧を表わす一連のプロフィール曲線で
あり、この差電圧は、巻線内に最悪の過渡電圧振動が励
起された場合に、線路側から始めて巻線の長さに沿った
相次ぐ巻線区分対間に順次現、６ｈる典型的な差電圧を
、巻線端子電圧に対するパーセントで表わしたものであ
る。　これら曲線をプロットするのに用いたデータは、
第り図に例示された平板巻き構成の！００ＫＶ変圧器高
圧巻線から求めたもので、１１−１から１１−６０で示
される乙０個の板巻き区分を有している。　曲線３２は
過渡電圧振動の抑圧を施こさない板巻き巻線の相次巻線
区分対の電圧のプロフィールであり、曲線３４は内部遮
蔽を施こした同じ巻線の巻線区分対の電圧のプロフィー
ルである。　これらの曲線の内、巻線の大地端の近くに
生じている隆起部分は電圧の反射によってつくられる。

　第３図の曲線３６は、バリスタ列の個々の酸化亜鉛バ
リスタ素子１７がｇつの板巻き巻線区分毎にその両端間
に接続され、すなわち実線で示すように区分１１−１乃
至１１−６．１１−７乃至１１−１２等を夫々分路する
ように接続された場合に得られる相次ぐ区分対の差電圧
を示すプロフィールである。

この曲線のぎざぎざは、バリスタ素子が接続された巻線
区分にある程度の振動が生じることを示している。　　
しかし、巻線に沿った全てのｉ電圧の太き省は、曲線３
２および３４で示されたものよりもかなり低いレベルに
一様に抑圧さねている。

もし、バリスタ素子が点！１７ａで示されるように板巻
き巻線区分の２個毎、すなわち、／対の巻線区分毎に接
続されると、プロフィール曲線３８が得らねる。　この
曲線３日は点線の直線４０によって示される理想的なタ
ーン毎の差電圧プロフィールに近似することがわかる。

　各区分毎に夫々バリスタ素子を接続しても、各区分の
最も内側のターンと最も外側のターンとの間が離れすぎ
ていて比較的低い誘電応力しかないので余り利点はない
。　対照的に、たとえば巻線区分１１−１と１１−２の
最も外側のターンが近接していて、これらのターンの間
の電圧がこれら２つの巻線区分全体の電圧降下であるの
で、これらターンの絶縁体に対する誘電応力は過渡電圧
の条件下では非常に厳しくなる。　本発明によれば、こ
の誘電応力は著しく軽減される。

バリスタ列の各バリスタ素子により分路さねる変圧器巻
線の区分あるいは部分は一様である必要がないことは理
解されよう。　事実、上述したように、また、第３図の
曲線３２によって示されるように、変圧器巻線の固有の
容量性グレージングにより、電圧サージの内の不釣合い
に大きな割合が線路端に最も近い巻線部分にかかるので
、線路側のバリスタ素子をバリスタ列のその下側にある
バリスタ素子より編一層小さな割合の巻線区分の両端間
に接続するほうが適切である。　したがって、バリスタ
列のバリスタ素子の数、巻線に沿った、そハらの素子を
接続するタップの位置、およびバリスタ素子自体の定格
は、通常の動作条件を満足する所要の巻線の絶縁ならび
に絶縁スペースを考慮して、関連する特定の変圧器巻線
の過渡的な区分間の差電圧のプロフィール、たとえば、
第３図の曲線３２によって部分的に決定される。

また、電力変圧器の巻線が電圧制御用タップを備えてい
る場合、バリスタ列の個々のバリスタ素子をこれらタッ
プ間に並列接続すべきである。

本発明は上述のような完全な電圧サージおよび過渡電圧
の抑圧を巻線全体の長さにわたって提供するので、巻線
、特に線路端に近接した巻線部分の絶縁量を従来必要と
されていたものよりもかなり減少させることができる。

　さらに、隣接する巻線区分のターン間の間隔や、変圧
器の巻線とその他の部品との間の間隔を減少させること
ができ、このため従来可能とされていたものよりも電力
変圧器を一層コンパクトにすることができる。

以上の説明は、たとえば単相電力変圧器、Ｙ形結線の電
力変圧器、分路リアクトル等の線路端子と大地あるいは
中性端子との間に接続される巻線の保護について述べた
が、本発明はデルタ形結線の電力変圧器のような線路間
に接続される巻線にも適用できることを理解すべきであ
る。　バリスタ列は上述したように内部電圧振動を抑圧
するために巻線端子間に接続され且つ巻線のタップに接
続される。　そして、別なバリスタ素子が、サージ・エ
ネルギを安全に大地に逃がすために、巻線の線路端子と
大地との間に接続される。　この別なバリスタ素子は、
外部に装着される避雷器あるいはサージ・アレスタと同
じタイプのものでよい。　このような方式は非接地配電
系統に設置される変圧器の巻線にも適用されよう。

まだ、本発明においては、変圧器を分路する図示の単一
のバリスタ列に、エネルギ吸収容量を増加させるため別
なバリスタ列を並列接続することもできる。　この場合
、巻線の種々のタップは、各バリスタ列の対応する接続
点に一緒に接続される。　また、相次ぐ巻線タップ間に
単一のバリスタ素子を接続するよりは、同様にエネルギ
吸収容量を増加させるために、複数の直列接続されたバ
リスタ素子を種々の巻線区分あるいは部分に並列接続す
ることもできる。

したがって、上述した目的ならびに上述の説明から明ら
かとなった目的は、効率よく達成されることが理解され
よう。　また、本発明の範囲を逸脱することなく上述の
構成に種々の変更を行うことができるので、以上の説明
に含まれあるいは添付の図面に示されたすべての事項は
ぐ説明のためであって本発明を制約するものではないこ
とに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の保護装置を備えた電力変圧器の概略図
、第２図は本発明によって得られた、変圧器巻線に沿う
初動サージ電圧勾配の改善を例示する図、第３図は、本
発明によって得らねだ電力変圧器巻線内の改善さねた過
渡電圧抑圧を例示する図、そして第９図は、本発明を利
用した板巻き形電力変圧器の部分概略図である。 １０・・・電力変圧器、　　１１・・・高圧巻線、１２
・・・低圧巻線、　　　１４・・・磁心、１１Ａ〜１１
Ｎ、１２Ａ〜１２Ｎ・・・巻線区分、１７．１８・・・
バリスタ素子の列、 １７Ａ〜１’７Ｎ、１８Ａ〜１８Ｎ・・・バリスタ素子
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁心の周りに装着された多数ターンの巻線を持つ
   電磁装置に電圧サージ保護ならびに電圧振動抑圧を与え
   る装置であって、（イ）巻線全体に対して並列関係に前
   記巻線の両端間に接続された、個個のバリスタ素子より
   成る直列のバリスタ列と、（ＣＩ前記巻線の長さに沿っ
   て互いに離ねた位置に設けられた複数個のタップと、（
   ハ）前記バリスタ列のバリスタ素子の間の相異なる接続
   点に前記タップを夫々接続する個々の電気導体とを有す
   る装置。
2. （２）前記バリスタ素子が酸化亜鉛バリスタである特許
   請求の範囲第（１）項記載の装置。
3. （３）前記電磁装置が、磁心の周りに装着された少なく
   とも７個の高圧巻線と少なくとも７個の低圧巻線とを持
   つ変圧器であり、さらに、高圧巻線と低圧巻線の各々の
   両端間には、個々のバリスタ素子より成る別個の直列の
   バリスタ列が接続されており、前記複数個のタップは各
   巻線の長さに沿って互いに離れだ位置に夫々設けられ、
   前記電気導体は、各巻線の前記タップを、該巻線に並列
   接続さねた関連するバリスタ列の前記バリスタ素子の間
   の相異なる接続点に夫々接続している特許請求の範囲第
   （１）項記載の装置。
4. （４）前記バリスタ列のバリスタ素子が酸化亜鉛バリス
   タである特許請求の範囲第（３）項記載の装置。
5. （５）前記巻線に設けられたタップ間の間隔が、関連す
   る巻線の所定差電圧プロフィールに従って変化している
   特許請求の範囲第（１）項、第（２）項、あるいは第（
   ３）項記載の装置。